Efficient and selective electro-reduction of nitrobenzene by the nano-structured Cu catalyst prepared by an electrodeposited method via tuning applied voltage

Abstract

Pollution caused by toxic nitrobenzene has been a widespread environmental concern. Selective reduction of nitrobenzene to aniline is beneficial to further efficient and cost-effective biologic treatment. Electrochemical reduction is a promising method and Cu-based catalysts have been found to be an efficient cathode material for this purpose. In this work, Cu catalysts with different morphologies were fabricated on Ti plate using a facile electrodepositon method via tuning the applied voltage. The dendritic nano-structured Cu catalysts obtained at high applied voltages exhibited an excellent efficiency and selectivity toward the reduction of nitrobenzene to aniline. Effects of the working potential and initial nitrobenzene concentration on the selective reduction of nitrobenzene to aniline using the Cu/Ti electrode were investigated. A high rate constant of 0.0251 min⁻¹ and 97.1% aniline selectivity were achieved. The fabricated nano-structured Cu catalysts also exhibited good stability. This work provides a facile way to prepare highly efficient, cost-effective, and stable nano-structured electrocatalysts for pollutant reduction.

Keywords

nitrobenzene / nano-structured Cu / electro-reduction / voltage-dependent electrodeposition / high selectivity / high stability

References

[1] Wang A J, Cheng H Y, Liang B, Ren N Q, Cui D, Lin N, Kim B H, Rabaey K. Efficient reduction of nitrobenzene to aniline with a biocatalyzed cathode. Environmental Science & Technology, 2011, 45(23): 10186–10193

[2] Pan J, Guan B. Adsorption of nitrobenzene from aqueous solution on activated sludge modified by cetyltrimethylammonium bromide. Journal of Hazardous Materials, 2010, 183(1−3): 341–346

[3] Rodriguez M, Timokhin V, Michl F, Contreras S, Gimenez J, Esplugas S. The influence of different irradiation sources on the treatment of nitrobenzene. Catalysis Today, 2002, 76(2−4): 291–300

[4] Beauchamp R O Jr, Irons R D, Rickert D E, Couch D B, Hamm T E Jr. A critical review of the literature on nitrobenzene toxicity. Critical Reviews in Toxicology, 1982, 11(1): 33–84

[5] Meng X, Cheng H, Akiyama Y, Hao Y, Qiao W, Yu Y, Zhao F, Fujita S, Arai M. Selective hydrogenation of nitrobenzene to aniline in dense phase carbon dioxide over Ni/γ-Al₂O₃: Significance of molecular interactions. Journal of Catalysis, 2009, 264(1): 1–10

[6] Zhu L, Lv M, Dai X, Xu X, Qi H, Yu Y. Reaction kinetics of the degradation of chloroanilines and aniline by aerobic granule. Biochemical Engineering Journal, 2012, 68(15): 215–220

[7] Brillas E, Mur E, Sauleda R, Sànchez L, Peral J, Domènech X, Casado J. Aniline mineralization by AOP’s: Anodic oxidation, photocatalysis, electro-Fenton and photoelectro-Fenton processes. Applied Catalysis B: Environmental, 1998, 16(1): 31–42

[8] Li Y P, Cao H B, Liu C M, Zhang Y. Electrochemical reduction of nitrobenzene at carbon nanotube electrode. Journal of Hazardous Materials, 2007, 148(1−2): 158–163

[9] Sheng X, Wouters B, Breugelmans T, Hubin A, Vankelecom I F J, Pescarmona P P. Cu/Cu_xO and Pt nanoparticles supported on multi-walled carbon nanotubes as electrocatalysts for the reduction of nitrobenzene. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 147(0): 330–339

[10] Jiang J, Zhai R, Bao X. Electrocatalytic properties of Cu-Zr amorphous alloy towards the electrochemical hydrogenation of nitrobenzene. Journal of Alloys and Compounds, 2003, 354(1−2): 248–258

[11] Becker A R, Sternson L A. Oxidation of phenylhydroxylamine in aqueous solution: A model for study of the carcinogenic effect of primary aromatic amines. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1981, 78(4I): 2003–2007

[12] Kokkinidis G, Jüttner K. The electrocatalytic influence of underpotential lead adsorbates on the reduction of nitrobenzene and nitrosobenzene on silver single crystal surfaces in methanolic solutions. Electrochimica Acta, 1981, 26(8): 971–977

[13] Grošková D, Štolcová M, Hronec M. Reaction of <?Pub Caret?>N-phenylhydroxylamine in the presence of clay catalysts. Catalysis Letters, 2000, 69(1/2): 113–116

[14] Tanaka A, Nishino Y, Sakaguchi S, Yoshikawa T, Imamura K, Hashimoto K, Kominami H. Functionalization of a plasmonic Au/TiO₂ photocatalyst with an Ag co-catalyst for quantitative reduction of nitrobenzene to aniline in 2-propanol suspensions under irradiation of visible light. Chemical Communications (Cambridge, England), 2013, 49(25): 2551–2553

[15] Luan F, Burgos W D, Xie L, Zhou Q. Bioreduction of nitrobenzene, natural organic matter, and hematite by Shewanella putrefaciens CN32. Environmental Science & Technology, 2010, 44(1): 184–190

[16] Wang J, Lu H, Zhou Y, Song Y, Liu G, Feng Y. Enhanced biotransformation of nitrobenzene by the synergies of Shewanella species and mediator-functionalized polyurethane foam. Journal of Hazardous Materials, 2013, 252−253(0): 227–232

[17] Huang X, Li Y, Li Y, Zhou H, Duan X, Huang Y. Synthesis of PtPd bimetal nanocrystals with controllable shape, composition, and their tunable catalytic properties. Nano Letters, 2012, 12(8): 4265–4270

[18] Gao Y, Ma D, Wang C, Guan J, Bao X. Reduced graphene oxide as a catalyst for hydrogenation of nitrobenzene at room temperature. Chemical Communications (Cambridge, England), 2011, 47(8): 2432–2434

[19] Tada H, Ishida T, Takao A, Ito S. Drastic enhancement of TiO₂-photocatalyzed reduction of nitrobenzene by loading Ag clusters. Langmuir, 2004, 20(19): 7898–7900

[20] Maldotti A, Andreotti L, Molinari A, Tollari S, Penoni A, Cenini S. Photochemical and photocatalytic reduction of nitrobenzene in the presence of cyclohexene. Journal of Photochemistry and Photobiology A Chemistry, 2000, 133(1−2): 129–133

[21] Zhang S J, Jiang H, Li M J, Yu H Q, Yin H, Li Q R. Kinetics and mechanisms of radiolytic degradation of nitrobenzene in aqueous solutions. Environmental Science & Technology, 2007, 41(6): 1977–1982

[22] Sun Z, Wei X, Hu X, Wang K, Shen H. Electrocatalytic dechlorination of 2,4-dichlorophenol in aqueous solution on palladium loaded meshed titanium electrode modified with polymeric pyrrole and surfactant. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2012, 414(20): 314–319

[23] Zhang Y, Zeng L, Bo X, Wang H, Guo L. Electrochemical study of nitrobenzene reduction using novel Pt nanoparticles/macroporous carbon hybrid nanocomposites. Analytica Chimica Acta, 2012, 752: 45–52

[24] Chen Z, Wang Z, Wu D, Ma L. Electrochemical study of nitrobenzene reduction on galvanically replaced nanoscale Fe/Au particles. Journal of Hazardous Materials, 2011, 197(0): 424–429

[25] Shindo H, Nishihara C. Detection of nitrosobenzene as an intermediate in the electrochemical reduction of nitrobenzene on Ag in a flow reactor. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry, 1989, 263(2): 415–420

[26] Yuan X Z, Ma Z F, Jiang Q Z, Wu W S. Cogeneration of cyclohexylamine and electrical power using PEM fuel cell reactor. Electrochemistry Communications, 2001, 3(11): 599–602

[27] Cyr A, Huot P, Marcoux J F, Belot G, Laviron E, Lessard J. The electrochemical reduction of nitrobenzene and azoxybenzene in neutral and basic aqueous methanolic solutions at polycrystalline copper and nickel electrodes. Electrochimica Acta, 1989, 34(3): 439–445

[28] Qiu R, Cha H G, Noh H B, Shim Y B, Zhang X L, Qiao R, Zhang D, Kim Y I, Pal U, Kang Y S. Preparation of dendritic copper nanostructures and their characterization for electroreduction. Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(36): 15891–15896

[29] Sun M, Reible D D, Lowry G V, Gregory K B. Effect of applied voltage, initial concentration, and natural organic matter on sequential reduction/oxidation of nitrobenzene by graphite electrodes. Environmental Science & Technology, 2012, 46(11): 6174–6181

[30] Yang B, Yu G, Huang J. Electrocatalytic hydrodechlorination of 2,4,5-trichlorobiphenyl on a palladium-modified nickel foam cathode. Environmental Science & Technology, 2007, 41(21): 7503–7508

[31] Li A, Zhao X, Hou Y, Liu H, Wu L, Qu J. The electrocatalytic dechlorination of chloroacetic acids at electrodeposited Pd/Fe-modified carbon paper electrode. Applied Catalysis B: Environmental, 2012, 111−112(0): 628–635

[32] Zhu K, Baig S A, Xu J, Sheng T, Xu X. Electrochemical reductive dechlorination of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid using a palladium/nickel foam electrode. Electrochimica Acta, 2012, 69(0): 389–396 doi:10.1016/j.electacta.2012.03.038

Acknowledgements

The authors thank the National Basic Research Program of China (No. 2011CB933702) and the Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University and the Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science and Technology of Ministry of Education of China for supporting this study.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg